6 Расчет химического состава и механических характеристик металла шва

1. Расчет химического состава сварного шва для ручной дуговой сварки

Степень легирования металла шва, с некоторой погрешностью, может быть установлена сопоставлением химического состава основного металла и металла наплавленного валика, определяемого по формуле:

(40)

где R_ш- содержание рассчитываемого элемента, %;

R₀- содержание того же элемента в основном металле, %;

(1-γ₀)- доля участия электродного металла в металле шва, %;

R_э- содержание рассчитываемого элемента в металле, наплавленным данной маркой электродов, %;

γ₀- доля участия основного металла в металле шва,

ΔR- коэффициент усвоения.

Определим химический состав шва для сварки покрытыми электродами:

[C]: R_ш= 0,2·0,52 + (1-0,52)0,1=0,152%;

[Si]: R_ш= 0,27·0,52 + (1-0,52)·0,2=0,2364%;

[Mn]: R_ш= 0,5·0,52 + (1-0,52)·0,65=0,572%;

[S]: R_ш= 0,035·0,52 + (1-0,52)·0,03=0,0326%;

[P]: R_ш= 0,04·0,52 + (1-0,52)·0,03=0,0352%.

2. Расчет химического состава сварного шва для сварки под флюсом

Содержание элементов в металле шва при сварке под флюсом можно с допустимой погрешностью определить по формуле (40):

где γ₀- доля участия основного металла в металле шва;

R₀- содержание элемента в основном металле;

ΔR- коэффициент усвоения флюса.

Коэффициент усвоения флюса представим в таблице 12.

Таблица 12 - Коэффициент усвоения для флюса АН-348А при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей

Коэффициенты усвоения
ΔMn	ΔSi	ΔC	ΔP
+0,18 ÷ +0,23	+0,13 ÷ +0,20	-0,028 ÷ -0,035	+0,008 ÷ +0,011

Определим химический состав шва для сварки под флюсом:

[C]: R_ш= 0,2·0,65 + (1-0,65)0,1- 0,031 = 0,134%;

[Si]: R_ш= 0,27·0,65 + (1-0,65)0,03 + 0,16 = 0,346%;

[Mn]: R_ш= 0,5·0,65 + (1-0,65)0,45 + 0,2 = 0,6825%;

[S]: R_ш= 0,035·0,65 + (1-0,65)0,03 = 0,033%;

[P]: R_ш= 0,04·0,65 + (1-0,65)0,03 + 0,01 = 0,0465%.

3. Расчет механических характеристик металла шва производим согласно [3,С.198]

Прочность и работоспособность сварного соединения зависит от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны и основного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических факторов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных материалов; метод и режим сварки; тип соединения и число проходов в сварном шве; размеры сварного соединения; величину пластических деформаций растяжения в металле шва при его остывании. Механические свойства металла шва зависят от скорости охлаждения и пластических деформаций растяжения, возникающих в металле шва при его остывании.

Используя график,[3,С.200], на котором показано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на характеристики металла шва f(σ_т), f(σ_в) в зависимости от скорости охлаждения шва, можно рассчитать ожидаемые характеристики металла шва. Зная механические свойства основного металла и режим сварки, можно рассчитать скорость охлаждения ω_охл, затем по графику определить соответствующие безразмерные коэффициенты и определить ожидаемые механические свойства металла шва по формулам:

σ_тш= f(σ_т)σ_то; σ_вш= f(σ_в)σ_во, (41)

где σ_т, σ_в – соответствующие характеристики металла шва.

Определим механические характеристики металла шва при ручной дуговой сварке.

Определим скорость охлаждения металла по формуле:

(42)

где λ - теплопроводность;

– объёмная теплоёмкость;

Т_о – начальная температура изделия;

Т – температура наименьшей устойчивости аустенита;

q_п – погонная энергия сварки; q_п ≈ 10286 Дж/см.

Для большинства низкоуглеродистых сталей можно принять:

λ = 0,39 Вт / (см · ºС);

= 4,9 Дж / (см³ · ºС);

Т =500ºС;

Т_о= 20ºС.

Таким образом, скорость охлаждения равна:

Согласно [3, С.246], определим ожидаемые механические свойства металла шва.

Определим предел прочности металла шва по формуле:

(43)

где σ_о – предел прочности основного металла; σ_в.о = 420 МПа.

ƒ(σ_в) – безразмерный коэффициент. Согласно [3,С.200], он равен ƒ(σ_в) ≈ 1,2.

Таким образом, предел прочности металла шва равен:

Определим предел текучести металла шва по формуле:

(44)

где σ_то – предел текучести основного металла; σ_то = 250 МПа;

ƒ(σ_т) - безразмерный коэффициент. Согласно [3,С.200], он равен ƒ(σ_т) ≈ 1,4.

Таким образом, предел текучести металла шва равен:

Определим относительное поперечное сужение металла шва по формуле:

(45)

где ƒ(ψ) - безразмерный коэффициент. Согласно [3,С.200], он равен ƒ(ψ) ≈ 0,9;

ψ_о – относительное поперечное сужение основного металла шва; ψ_о=55 %.

Таким образом, относительное поперечное сужение металла шва равно:

%.

Определим твёрдость металла шва по формуле:

НВ_ш = ƒ(НВ)НВ_о , (46)

где ƒ(НВ) - безразмерный коэффициент. Согласно [3,С.200], он равен: ƒ(НВ) ≈ 1,2;

НВ_о – твёрдость основного металла; НВ_о = 156.

Таким образом, твёрдость металла шва равна:

НВ_ш = 1,2 · 156 ≈ 187.

Определим относительное удлинение шва по формуле:

(47)

где ψ _ш - относительное поперечное сужение металла шва; ψ _ш = 46,75%.

Таким образом, относительное удлинение металла шва равно:

%.

Определим механические характеристики металла шва при сварке под слоем флюса.

Определим скорость охлаждения металла по формуле (42):

Согласно [3, С.246], определим ожидаемые механические свойства металла шва.

Определим предел прочности металла шва по формуле (43):

Определим предел текучести металла шва по формуле (44):

Определим относительное поперечное сужение металла шва по формуле (45):

%.

Определим твёрдость металла шва по формуле (46):

НВ_ш = 1 · 156 ≈ 156.

Определим относительное удлинение шва по формуле (47):

%.